CN111999897A - 一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器，包括像源系统、光学矫正系统、体全息衍射屏和控制系统，控制系统与像源系统连接，像源系统用于出射显示光束，体全息衍射屏位于显示光束的传播路径上，用于将显示光束投射至人眼。本发明提供的基于体全息衍射光学的透射式平视显示器，同时实现了小尺寸、大视场、大眼盒的要求。

Description

一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器

技术领域

本发明实施例涉及平视显示器技术领域，尤其涉及一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器。

背景技术

平视显示器(Head Up Display，HUD)是运用在航空器上的飞行辅助仪器，是一种可以把飞行数据投射到驾驶员正前方透明显示组件上的系统，使驾驶员保持平视姿态获取飞行信息。

目前市面上的平视显示器光学系统主要运用了光的折反射原理，采用反射式的结构，结构复杂、装调难度大、加工成本高，外形尺寸与光学参数视场、眼盒大小等相矛盾，不能同时实现小尺寸、大视场、大眼盒的要求。

发明内容

本发明提供一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器，以同时实现小尺寸、大视场、大眼盒的要求。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器，包括像源系统、光学矫正系统、体全息衍射屏和控制系统；

所述控制系统与所述像源系统连接；

所述像源系统用于出射显示光束；

所述光学矫正系统位于所述显示光束的传播路径上，用于图像质量的矫正；

所述体全息衍射屏位于所述显示光束的传播路径上，用于将所述显示光束投射至人眼。

可选的，所述体全息衍射屏包括沿所述显示光束的传播方向依次设置的第一透明平板、体全息光学薄膜和第二透明平板。

可选的，所述第一透明平板为光学玻璃平板或光学塑料平板，所述第二透明平板为光学玻璃平板或光学塑料平板。

可选的，还包括光学矫正系统；

所述光学矫正系统位于所述显示光束的传播路径上；且沿所述显示光束传播方向，所述光学矫正系统位于所述体全息衍射屏朝向所述像源系统的一侧。

可选的，所述光学矫正系统为自由曲面棱镜。

可选的，所述自由曲面棱镜包括入射面和出射面，所述入射面和所述出射面均为自由曲面，所述显示光束的传播方向与所述自由曲面棱镜的光轴方向之间的夹角小于90°。

可选的，所述自由曲面棱镜为玻璃棱镜或塑料棱镜。

可选的，所述像源系统包括光源、显示模块、光学投影模块和驱动器；

所述光源和所述显示模块均与所述驱动器连接；

所述光源用于出射照明光束；

所述显示模块位于所述照明光束的传播路径上，用于将所述照明光束调制为显示光束；

所述光学投影模块位于所述显示光束的传播路径上。

可选的，所述显示模块为LCOS显示面板、LCD显示面板和LED显示面板中的任意一种。

可选的，还包括外壳；

所述像源系统、所述体全息衍射屏和所述控制系统均安装于所述外壳上。

本发明实施例的提供的基于体全息衍射光学的透射式平视显示器，通过采用体全息衍射屏对显示光束进行折转和调制聚焦，利用光的相干原理与光的衍射特性，解决目前平视显示器视场和体积受限的问题，实现结构简单、大视场、大眼盒的平视显示器。

附图说明

图1为现有的一种平视显示器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种体全息衍射屏的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种像源系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种透射式平视显示器的传递函数图；

图7为本发明实施例提供的一种透射式平视显示器的点列图；

图8为本发明实施例提供的一种透射式平视显示器的畸变场曲图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

2。参见图1，该平视显示器包括：像源10、光学准直系统11、反射镜12、光学镜组13和半反半透镜14，像源10的图像信息经光学准直系统11准直后，再经反射镜12反射以改变光路的方向，图像信息经光学镜组13聚焦后到达半反半透镜14，半反半透镜14将图像信息反射到人眼15中，以使人眼15可以在半反半透镜14上观察到一放大的像源图像，同时可以透过半反半透镜14观察到真实场景。现有的平视显示器运用光的折反射原理，采用反射式的结构，结构复杂、装调难度大、加工成本高，外形尺寸与光学参数视场、眼盒大小等相矛盾，不能同时实现小尺寸、大视场、大眼盒的要求。

基于上述技术问题，本发明实施例提供一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器，包括像源系统、光学矫正系统、体全息衍射屏和控制系统，控制系统与像源系统连接，像源系统用于出射显示光束，光学矫正系统位于显示光束的传播路径上，用于图像质量的矫正；体全息衍射屏位于显示光束的传播路径上，用于将显示光束投射至人眼。采用上述技术方案，通过采用体全息衍射屏对显示光束进行折转和调制聚焦，利用光的相干原理与光的衍射特性，解决目前平视显示器视场和体积受限的问题，实现结构简单、大视场、大眼盒的平视显示器。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明实施例提供的一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器的结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供的透射式平视显示器包括像源系统21、光学矫正系统24、体全息衍射屏22和控制系统23，控制系统23与像源系统21连接，像源系统21用于出射显示光束31，光学矫正系统24位于显示光束31的传播路径上，用于图像质量的矫正；体全息衍射屏22位于显示光束31的传播路径上，用于将显示光束投射至人眼30。

示例性的，像源系统21将外部接收的视频信号转变成激光可视图像，并投射表示该图像的显示光束31。控制系统23与像源系统21连接，用于对像源系统21的亮度、显示内容等进行控制。

体全息衍射屏22位于显示光束31的传播路径上，显示光束31经过体全息衍射屏22后进入人眼30，人眼30可在体全息衍射屏22投射方向观察到放大的虚像，且虚像叠加在真实场景中。其中，全息是利用干涉和衍射原理记录并再现的技术，体全息衍射屏22利用光的相干原理与光的衍射特性对显示光束31进行折转，并可对显示光束31进行调制聚焦。与现有技术中采用反射式的结构的平视显示器相比，采用一个体全息衍射屏22同时实现了反射镜12改变光路的功能和光学镜组13的聚焦功能，减少了平视显示器的元件数量，降低平视显示器的空间需求，结构简单，易于安装，成本较低，有助于实现小尺寸平视显示器；并且利用光的相干原理与光的衍射特性实现平视显示器功能，可以获得更大的眼盒和更大的视场角度，从而能够给使用者展示更多的信息，使用者在眼睛晃动的时候仍然能观察整个视场的信息，降低使用者的疲劳度。

本发明实施例的提供的基于体全息衍射光学的透射式平视显示器，通过采用体全息衍射屏22对显示光束31进行折转和调制聚焦，利用光的相干原理与光的衍射特性，解决目前平视显示器视场和体积受限的问题，实现结构简单、大视场、大眼盒的平视显示器。

图3为本发明实施例提供的一种体全息衍射屏的结构示意图，如图3所示，可选的，体全息衍射屏22包括沿显示光束31的传播方向Y依次设置的第一透明平板221、体全息光学薄膜222和第二透明平板223。

具体的，体全息衍射屏22包括第一透明平板221和第二透明平板223，第一透明平板221和第二透明平板223中间夹层为体全息光学薄膜222，体全息光学薄膜222具有为对光线进行折转和对平行光束进行调制聚焦的功能，从而将显示光束31投射到人眼，在远处形成放大的虚像，且虚像叠加到真实的场景中。其中，体全息光学薄膜(holographic opticalelements，HOE)是根据全息术原理制成的光学元件，通常做在感光薄膜材料上，具有重量轻、成本低、可批量化生产的优点。

可选的，第一透明平板221为光学玻璃平板或光学塑料平板，第二透明平板223为光学玻璃平板或光学塑料平板。

其中，光学玻璃平板的温度敏感性和耐磨性较优，光学塑料平板成本较低，在其他实施例中，本领域技术人员也可根据实际需求对第一透明平板221和第二透明平板223的材料进行设置，本发明实施例对此不作限定。

继续参考图2，可选的，光学矫正系统24位于显示光束31的传播路径上，且沿显示光束31传播方向，光学矫正系统24位于体全息衍射屏22朝向像源系统21的一侧。

具体的，如图2所示，沿显示光束31的传播方向依次设置有光学矫正系统24和体全息衍射屏22，像源系统21所成的像经过光学矫正系统24和体全息衍射屏22后进入人眼30，人眼30可在体全息衍射屏22投射方向观察到放大的虚像，且虚像叠加在真实场景中。其中，体全息衍射屏22会对衍射光产生离轴像差，例如场曲、畸变等，光学矫正系统24用于对离轴像差进行矫正，有助于实现高像质的平视显示器。

继续参考图2，可选的，光学矫正系统24为自由曲面棱镜。

其中，可采用自由曲面棱镜对体全息衍射屏22产生的离轴像差进行矫正，结构简单，容易实现。

需要注意的是，光学矫正系统24采用自由曲面棱镜仅为一个示例，在其他实施例中，本领域技术人员也可根据实际需求对光学矫正系统24进行设置，本发明实施例对此不作限定。

继续参考图2，可选的，自由曲面棱镜包括入射面241和出射面242，入射面241和出射面242均为自由曲面，显示光束31的传播方向与自由曲面棱镜的光轴方向X之间的夹角小于90°。

具体的，如图2所示，自由曲面棱镜和人眼30的观察位置分别在体全息衍射屏22的两侧，自由曲面棱镜包括入射面241和出射面242，显示光束31经自由曲面棱镜的入射面241入射，并经出射面242出射，显示光束31的传播方向与自由曲面棱镜的光轴方向X之间的夹角小于90°，即显示光束31经自由曲面棱镜透射后到达体全息衍射屏22。其中，入射面241和出射面242均为自由曲面，自由曲面能够矫正体全息衍射屏22产生的场曲、畸变等离轴像差，实现高像质的平视显示器。

可选的，自由曲面棱镜为玻璃棱镜或塑料棱镜。

其中，玻璃棱镜的温度敏感性和耐磨性较优，塑料棱镜成本较低，在其他实施例中，本领域技术人员也可根据实际需求对自由曲面棱镜的材料进行设置，本发明实施例对此不作限定。

图4为本发明实施例提供的一种像源系统的结构示意图，如图4所示，可选的，像源系统包括光源41、显示模块42、光学投影模块43和驱动器44，光源41和显示模块42均与驱动器44连接，光源41用于出射照明光束45，显示模块42位于照明光束45的传播路径上，用于将照明光束45调制为显示光束46，光学投影模块43位于显示光束46的传播路径上。

具体的，如图4所示，光源41出射照明光束45，光学投影模块43将照明光束45调制为显示光束46，从而将视频信号转变为可视图像，光学投影模块43将可视图像放大并投射出去。驱动器44分别与光源41和显示模块42连接，从而驱动光源41和显示模块42投射可视图像。

通常体全息光学薄膜222用于单色光或窄光谱带的情况下性能较为优越，因此，光源41可采用激光光源，激光光源出射单色激光，比如绿色激光，从而实现高指标的透射式衍射平视显示器。在其他实施例中，光源41也可采用其他光源，本领域技术人员可根据实际需求进行设置。

可选的，显示模块42为LCOS显示面板、LCD显示面板和LED显示面板中的任意一种。

其中，显示模块42具体可以是LCOS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)显示面板、LCD(Liquid Crystal Display，液晶)显示面板和LED(Light Emitting Diode，发光二极管)显示面板中的任意一种，例如，显示模块42采用高分辨LCOS显示面板，LCOS显示面板是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置，有助于实现小尺寸平视显示器。显示模块42并不限定于上述显示面板，本领域技术人员可根据实际需求对显示模块42进行设置。

图5为本发明实施例提供的另一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器的结构示意图，如图5所示，可选的，本发明实施例提供的透射式平视显示器还包括外壳50，像源系统21、体全息衍射屏22和控制系统23均安装于外壳50上。

示例性的，如图5所示，外壳50可包括壳体、像源系统21、光学矫正系统24和体全息衍射屏22的安装结构以及连接结构等，像源系统21、光学矫正系统24和控制系统23安装于外壳50的容置空间内，体全息衍射屏22安装于外壳50上，外壳50用于保证固定像源系统21、光学矫正系统24、控制系统23和体全息衍射屏22的精确安装以及透射式平视显示器与外部设备的安装。外壳50的具体结构和形状可根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作限定。

图6为本发明实施例提供的一种透射式平视显示器的传递函数图，图7为本发明实施例提供的一种透射式平视显示器的点列图，图8为本发明实施例提供的一种透射式平视显示器的畸变场曲图。如图6-8所示，本发明实施例提供的透射式平视显示器畸变和场曲较小，视差小，像质高。

本发明实施例提供的基于体全息衍射光学的透射式平视显示器，通过利用透射式体全息衍射屏对显示光束进行折转和调制聚焦，利用光的相干原理与光的衍射特性，实现了结构简单、小体积、低成本、大视场、大眼盒的透射式平视显示器，解决目前平视显示器视场和体积受限的问题。并通过自由曲面棱镜对衍射光产生的离轴像差进行校正，实现了低畸变、高像质的平视显示器。从而通过将体全息衍射光学与传统几何光学相结合得到新型的透射式平视显示器，该透射式平视显示器结构简单、易于安装、可以获得更大的眼盒、更大的视场角度和更好的成像质量，从而可以给使用者展示更多的信息，使用者在眼睛晃动的时候仍然能观察整个视场的信息，降低使用者的疲劳度，此外，本发明实施例提供的透射式平视显示器具有可复制性，能够低成本的批量生产。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于体全息衍射光学的透射式平视显示器，其特征在于，包括像源系统、光学矫正系统、体全息衍射屏和控制系统；

所述控制系统与所述像源系统连接；

所述像源系统用于出射显示光束；

所述光学矫正系统位于所述显示光束的传播路径上，用于图像质量的矫正；

所述体全息衍射屏位于所述显示光束的传播路径上，用于将所述显示光束投射至人眼。

2.根据权利要求1所述的透射式平视显示器，其特征在于，所述体全息衍射屏包括沿所述显示光束的传播方向依次设置的第一透明平板、体全息光学薄膜和第二透明平板。

3.根据权利要求2所述的透射式平视显示器，其特征在于，所述第一透明平板为光学玻璃平板或光学塑料平板，所述第二透明平板为光学玻璃平板或光学塑料平板。

4.根据权利要求1所述的透射式平视显示器，其特征在于，沿所述显示光束传播方向，所述光学矫正系统位于所述体全息衍射屏朝向所述像源系统的一侧。

5.根据权利要求4所述的透射式平视显示器，其特征在于，所述光学矫正系统为自由曲面棱镜。

6.根据权利要求5所述的透射式平视显示器，其特征在于，所述自由曲面棱镜包括入射面和出射面，所述入射面和所述出射面均为自由曲面，所述显示光束的传播方向与所述自由曲面棱镜的光轴方向之间的夹角小于90°。

7.根据权利要求5所述的透射式平视显示器，其特征在于，所述自由曲面棱镜为玻璃棱镜或塑料棱镜。

8.根据权利要求1所述的透射式平视显示器，其特征在于，所述像源系统包括光源、显示模块、光学投影模块和驱动器；

所述光源和所述显示模块均与所述驱动器连接；

所述光源用于出射照明光束；

所述显示模块位于所述照明光束的传播路径上，用于将所述照明光束调制为显示光束；

所述光学投影模块位于所述显示光束的传播路径上。

9.根据权利要求8所述的透射式平视显示器，其特征在于，所述显示模块为LCOS显示面板、LCD显示面板和LED显示面板中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的透射式平视显示器，其特征在于，还包括外壳；

所述像源系统、所述体全息衍射屏和所述控制系统均安装于所述外壳上。

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